JP2005140013A - Rankine cycle device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はランキンサイクル装置に関し、特に、例えば車載エンジンの排熱エネルギを機械エネルギに変換する車載用装置として用いられ、作動媒体の洩れに適切に対応する作動媒体供給システムを備えたランキンサイクル装置に関する。 The present invention relates to a Rankine cycle device, and more particularly, to a Rankine cycle device that is used as, for example, a vehicle-mounted device that converts exhaust heat energy of a vehicle-mounted engine into mechanical energy and includes a working medium supply system that appropriately copes with leakage of the working medium. .
従来、熱エネルギを機械的な仕事に変換するシステムとしてランンサイクル装置が知られている。ランキンサイクル装置は、循環系を形成する密閉状態の配管システムにおいて、作動媒体としての水を液相状態および気相状態で循環させる構造を有するものである。ランキンサイクル装置は、給水ポンプユニットと蒸発器と膨張機と凝縮器を有し、これらを接続する配管で循環回路を形成する。 Conventionally, a run cycle apparatus is known as a system for converting thermal energy into mechanical work. The Rankine cycle apparatus has a structure in which water as a working medium is circulated in a liquid phase state and a gas phase state in a sealed piping system that forms a circulation system. The Rankine cycle apparatus has a feed water pump unit, an evaporator, an expander, and a condenser, and forms a circulation circuit by piping connecting them.
ランキンサイクル装置の概略的構成を図14に示す。図14では、車載用ランキンサイクル装置を想定し、全体の構成を示すと共に、凝縮器の構造および内部状態が示されている。 FIG. 14 shows a schematic configuration of the Rankine cycle apparatus. In FIG. 14, an on-vehicle Rankine cycle device is assumed, the entire configuration is shown, and the structure and internal state of the condenser are shown.
図14において、ランキンサイクル装置は、給水ポンプユニット110と蒸発器111と膨張機107と凝縮器100を備える。これらの要素は配管108,115で接続され、循環回路が形成される。給水ポンプユニット110に基づき配管115を通して毎分所定量で送り出される水(液相)は、蒸発器111で熱を与えられ、水蒸気(気相)になる。この水蒸気は次の配管115を通して膨張機107に送られ、ここで膨張作用を生じる。膨張機107での水蒸気の膨張作用で機械装置(図示せず)を駆動することにより機械的な仕事が行われる。その後、膨張した水蒸気は配管108を通って凝縮器100へ送られ、ここで水蒸気の状態から水の状態に戻される。その後、配管115を通って給水ポンプユニット110に戻され、再び給水ポンプユニット110から送出され、上記の作用を繰り返すことになる。上記において蒸発器111はエンジンの排気口から延設された排気管から熱を受ける構造となっている。なおランキンサイクル装置の構造例を示す文献として例えば特許文献1を挙げることができる。
In FIG. 14, the Rankine cycle apparatus includes a feed
次に、上記車載用ランキンサイクル装置での凝縮器100の構造と作用を詳述する。 Next, the structure and operation of the condenser 100 in the in-vehicle Rankine cycle device will be described in detail.
車載用ランキンサイクル装置の凝縮器100は、水蒸気導入室101と、集水室102と、これらの2つの室を上下方向に接続する多数の冷却パイプ103を備えている。図14では1本の冷却パイプ(凝縮管)103のみを誇張して示している。冷却パイプ103の内部においてのほぼ上半分は水蒸気(気相部分)104であり、ほぼ下半分は水(液相部分)105である。水蒸気104の部分では、水蒸気導入室101から冷却パイプ103に導入された作動媒体の大部分が気相状態にある。水105の部分では、冷却パイプ103を流れる作動媒体の大部分が液相状態(凝縮水)にある。水蒸気104と水105の境界部(気液界面)が液面位置112となる。冷却パイプ103の背後(図14中右側)には1台の冷却ファン106が備えられ、駆動される。冷却ファン106の周囲はシュラウド106aに囲まれている。通常、電子制御ユニットによって凝縮器100の出口の水温に基づいて冷却ファン106の動作を制御する。冷却パイプ103は、その上側端部から下側端部まで、1台の冷却ファン106によって同時に送風され、冷却される。
The condenser 100 of the in-vehicle Rankine cycle device includes a water
上記凝縮器100は次のように動作する。ランキンサイクル装置の運転に伴って膨張機107から排出された比較的に低温の水蒸気は、低圧水蒸気配管108を経て凝縮器100の水蒸気導入室101に導入され、冷却パイプ103に流入する。冷却ファン106に吸引された冷却風109が凝縮器100に供給される。凝縮器100の上流側の水蒸気104、つまり冷却パイプ103内に水蒸気と水が混在している部分には冷却ファン106によって強い冷却風が作用し、水蒸気が液化する際に放出する潜熱が冷却風によって有効に回収される。また、凝縮器100の下流側の水105、つまり冷却パイプ103内に実質的に水だけが存在している部分にも、冷却ファン106による冷却風が作用する。凝縮器100の冷却パイプ103内で凝縮した水は集水室102に集められる。その後、前述の通り、給水ポンプユニット110で加圧されて蒸発器111に供給される。
The condenser 100 operates as follows. Relatively low temperature steam discharged from the
本来、ランキンサイクル装置は閉鎖系で運転されることを前提としている。すなわち作動媒体が循環する循環系は理想的に閉鎖系であって密閉状態で形成されている。従って、作動媒体は洩れることなく循環系内で循環することが望ましい。しかしながら、現実的には、以下の2つの理由により作動媒体は系外に排出される。 Originally, it is assumed that the Rankine cycle apparatus is operated in a closed system. That is, the circulation system through which the working medium circulates is ideally a closed system and is formed in a sealed state. Therefore, it is desirable that the working medium circulates in the circulation system without leaking. However, practically, the working medium is discharged out of the system for the following two reasons.
第1の理由は、ランキンサイクル装置として主な仕事をする給水ポンプユニット110と蒸発器111と膨張機107のそれぞれの間において、低温状態のスタート時に、加圧が行われ、等圧力のバランスが崩れ、膨張機107等のシール部からの水蒸気の洩れが多少なりとも生じることである。
The first reason is that pressurization is performed at the start of the low temperature state between the feed
第2の理由は、膨張機107で仕事を終えた作動媒体を凝縮器100で水蒸気から水への変化させ次の仕事サイクルに備えるため凝縮器100と水タンクの間を経由させるが、凝縮器100で液面位置を保持する機能を持たせる場合に循環系内から水を排出させることがある。
The second reason is that the working medium that has finished work in the
実際のランキンサイクル装置において、循環系全体の作動媒体の総量は一定量に保持させることが必要である。そのため、前述の洩れや排出により循環系外に持ち出された作動媒体は、その総量を一定にするため、何らかの手法で循環系内へ戻さなければならない。 In an actual Rankine cycle device, it is necessary to keep the total amount of working medium in the entire circulation system at a constant amount. For this reason, the working medium taken out of the circulation system due to the above-described leakage or discharge must be returned to the circulation system by some method in order to make the total amount constant.
前述のように、循環系外へ洩れ出た作動媒体を循環系内へ戻す方法は、大きく2つの方法を考えることができる。1つの方法は、複数のリーク回路のそれぞれからメイン回路へ直結で戻す方法である。他の1つの方法は、複数のリーク回路のそれぞれをいったん開放タンクで受け、その後でメイン回路へ戻す方法である。 As described above, there are roughly two methods for returning the working medium leaking out of the circulation system into the circulation system. One method is a method of returning from each of the plurality of leak circuits to the main circuit by direct connection. Another method is a method in which each of the plurality of leak circuits is once received in an open tank and then returned to the main circuit.
前者の場合には、例えば複数のリーク回路のそれぞれにポンプを挿入し、その運転を洩れ量に応じて比較的精密に制御する必要が生じる。そのため、システムが複雑になる。一方、後者の場合には、いったん開放タンクに貯蔵した水を自動的に循環系内へ戻す場合には洩れ量を相殺するように開放タンクから戻さなければならないので、何らかの計量と制御の手法が必要となる。 In the former case, for example, it is necessary to insert a pump into each of the plurality of leak circuits and to control the operation thereof relatively accurately in accordance with the leak amount. This complicates the system. On the other hand, in the latter case, when the water once stored in the open tank is automatically returned to the circulation system, it must be returned from the open tank so as to cancel out the leakage amount. Necessary.
また手動により別途に戻す方法も考えられる。その場合には非常に簡素なシステムになる。しかしながら、特に走行中の車両等においては、運転時に手動での補給は困難である。また、走行中の補給量としては循環系外へ洩れ出る量と等しい量を確保しなければならず、十分な走行距離(時間)をまかなうためには、運転状態にも依存するが、比較的大きなタンクを必要とし、車載などを前提にすると、小型化を阻害する要因となる。従って実用性に問題がある。 In addition, a method of returning manually separately is also conceivable. In that case, it becomes a very simple system. However, manual replenishment during driving is particularly difficult in vehicles that are running. In addition, the amount of replenishment during travel must be equal to the amount that leaks out of the circulatory system, and in order to cover a sufficient travel distance (time), although it depends on the driving conditions, If a large tank is required and it is assumed that it is mounted on a vehicle, it becomes a factor that hinders downsizing. Therefore, there is a problem in practicality.
上記に基づき実際のランキンサイクル装置では次の3つの課題が存在する。(1)循環系の外に洩れ出た作動媒体を自動的に循環系内へ戻せること、(2)車載装置であることを前提としたときに十分に小型に構成できること、(3)車載装置であることを前提としたときに複雑な制御を用いずに簡便に最適手段を実現できること、である。 Based on the above, an actual Rankine cycle apparatus has the following three problems. (1) The working medium leaking out of the circulatory system can be automatically returned to the circulatory system, (2) It can be configured sufficiently small on the assumption that it is an in-vehicle device, and (3) The in-vehicle device. It is possible to easily realize the optimum means without using complicated control when it is assumed.
なお特許文献2には、膨張機を潤滑するオイルとそれに混入した水から成る混合物をコアレッサ式水分離手段に供給し、ここで水をオイルから分離し、水が分離されたオイルを膨張機に戻す共に、分離した水を循環回路に戻すというランキンサイクル装置を開示している。しかしながら、特許文献2で開示される装置では、上記の理由2で述べたような凝縮器において液面位置を保持する機能を有するものではないため、循環系内から水を排出させ、その後に当該水を蓄える開放タンクを備えたものではない。そのため、開放タンクを備えたランキンサイクル装置に、特許文献2で開示される技術をそのまま適用することはできない。 In Patent Document 2, a mixture composed of oil for lubricating an expander and water mixed therein is supplied to a coalescer-type water separation means, where water is separated from the oil, and the oil from which the water has been separated is supplied to the expander. A Rankine cycle device is disclosed that returns and returns separated water to the circulation circuit. However, the apparatus disclosed in Patent Document 2 does not have a function of maintaining the liquid surface position in the condenser as described in the reason 2 above, so that water is discharged from the circulation system, and thereafter It is not equipped with an open tank for storing water. Therefore, the technique disclosed in Patent Document 2 cannot be applied as it is to a Rankine cycle device including an open tank.
なおランキンサイクル装置での洩れた作動媒体を自動的に補充する作動媒体供給システムと類似する従来のシステムとして、例えば、自動車のエンジン冷却システム、カーエアコン装置の冷媒供給システム、および火力発電所の腹水および休止設備等を挙げることができる。
本発明が解決しようとする課題は次の通りである。作動媒体の循環系が閉鎖系として構成されるランキンサイクル装置では系全体における作動媒体の総量を一定に保持しつつ系内で循環させる。循環系内で作動媒体の洩れが生じたときには、作動媒体の減少によるランキンサイクル装置の運転に支障がないように、系内の作動媒体の総量を一定に保持するべく、洩れた量の作動媒体を系内に自動的に補充する構成が必要である。また凝縮器での作動媒体の液面位置を一定位置に維持するように構成されたランキンサイクル装置では、より適切なタイミングで作動媒体の洩れ量をより精密な量で補充する構成が必要である。またランキンサイクル装置の作動媒体補充供給システムとしては、簡単な構造で、かつコンパクトに構成されることが必要である。 The problems to be solved by the present invention are as follows. In the Rankine cycle device in which the circulation system of the working medium is configured as a closed system, the working medium is circulated in the system while keeping the total amount of the working medium constant. When leakage of the working medium occurs in the circulation system, the leakage amount of the working medium is kept in order to keep the total amount of working medium in the system constant so that the operation of the Rankine cycle device is not hindered by the decrease of the working medium. Is necessary to automatically replenish the system. Further, in the Rankine cycle apparatus configured to maintain the liquid level position of the working medium in the condenser at a constant position, it is necessary to replenish the working medium with a more precise amount of leakage at a more appropriate timing. . In addition, the working medium replenishment supply system of the Rankine cycle apparatus needs to have a simple structure and a compact configuration.
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、循環系内から外に出た作動媒体を適切なタイミングでかつ精密かつ正確な戻し量で自動的に循環系に戻すことのできる作動媒体供給システムを備えたランキンサイクル装置を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a working medium supply system capable of automatically returning a working medium that has left the circulation system to the circulation system at an appropriate timing and with a precise and accurate return amount. It is providing the Rankine-cycle apparatus provided.
本発明の他の目的は、凝縮器で作動媒体の液面位置を一定位置に保持するように構成されたものにおいて、当該液面位置を正確に維持できるように、循環系内から排出された作動媒体を適切なタイミングでかつ精密かつ正確な戻し量で自動的に循環系に戻すことのできる作動媒体供給システムを備えたランキンサイクル装置を提供することにある。 Another object of the present invention is that the condenser is configured so that the liquid level position of the working medium is held at a constant position, and is discharged from the circulation system so that the liquid level position can be accurately maintained. It is an object of the present invention to provide a Rankine cycle device including a working medium supply system capable of automatically returning a working medium to a circulatory system automatically at an appropriate timing and with a precise and accurate return amount.
本発明の他の目的は、自動車等の走行車両に装備されたランキンサイクル装置であって、循環系内から外に出た作動媒体を自動的に循環系に戻すことができ、かつ簡単な構造でかつコンパクトに構成される作動媒体供給システムを備えたランキンサイクル装置を提供することにある。 Another object of the present invention is a Rankine cycle device installed in a traveling vehicle such as an automobile, which can automatically return a working medium that has come out of the circulation system to the circulation system, and has a simple structure. Another object of the present invention is to provide a Rankine cycle device including a working medium supply system configured in a compact manner.
本発明に係るランキンサイクル装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。 The Rankine cycle device according to the present invention is configured as follows in order to achieve the above object.
第1のランキンサイクル装置(請求項1に対応)は、基本的構成として、前段で加圧された液相作動媒体を加熱して気相作動媒体に変換する蒸発器と、蒸発器から出力される気相作動媒体の熱エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、この膨張機の出口から排出された気相作動媒体を冷却して液相作動媒体に戻す凝縮器と、この凝縮器が排出した液相作動媒体を蓄える密閉タンクと、この密閉タンクの液相作動媒体を再び加圧して蒸発器に供給する供給ポンプとから成る閉鎖された作動媒体循環回路を有する。このランキンサイクル装置は、さらに、作動媒体循環回路から外部に出た(洩れ出たまたは排出された)作動媒体を捕集する捕集機構と、捕集機構から供給される作動媒体を蓄える開放タンクと、開放タンクに蓄えた液相作動媒体を、上記作動媒体循環回路における膨張機の出口から凝縮器を経由して供給ポンプの吸入口に到るまでの回路部分(大気圧同等領域)のいずれかの箇所に戻す液相作動媒体戻し装置と、を備える。 The first Rankine cycle device (corresponding to claim 1) has, as a basic configuration, an evaporator that heats the liquid-phase working medium pressurized in the previous stage and converts it into a gas-phase working medium, and an output from the evaporator. An expander that converts thermal energy of the gas phase working medium into mechanical energy, a condenser that cools the gas phase working medium discharged from the outlet of the expander and returns it to the liquid phase working medium, and the condenser discharges A closed working medium circulation circuit comprising a closed tank for storing the liquid phase working medium and a supply pump for pressurizing the liquid phase working medium in the closed tank again and supplying it to the evaporator. The Rankine cycle device further includes a collecting mechanism for collecting the working medium that has flowed out (leaked or discharged) from the working medium circulation circuit, and an open tank for storing the working medium supplied from the collecting mechanism. And the liquid phase working medium stored in the open tank in any of the circuit parts (atmospheric pressure equivalent region) from the outlet of the expander to the inlet of the supply pump via the condenser in the working medium circulation circuit. A liquid-phase working medium returning device for returning to the location.
上記のランキンサイクル装置では、閉鎖系として構成された作動媒体の循環回路から作動媒体が例えば洩れ出た場合には、洩れ出た作動媒体を捕集し、開放タンクに蓄える。他方、循環回路内で循環する作動媒体の総量は不変の一定量に保持されることが必要であるので、開放タンクに蓄えられる液相作動媒体(水)は液相作動媒体戻し装置であるリターンポンプにより循環回路における大気圧同等領域のいずれかの箇所に適切なタイミングでかつ適切な量が戻される。 In the Rankine cycle device, when the working medium leaks out of the working medium circulation circuit configured as a closed system, for example, the leaked working medium is collected and stored in the open tank. On the other hand, since the total amount of the working medium circulating in the circulation circuit needs to be kept constant, the liquid phase working medium (water) stored in the open tank is a liquid phase working medium return device. The pump returns an appropriate amount at an appropriate timing to any location in the atmospheric pressure equivalent region in the circulation circuit.
第2のランキンサイクル装置(請求項2に対応)は、上記の構成において、好ましくは、内部の液相作動媒体の液面位置が所定の一定位置になるように制御される凝縮器に付設され、液面位置の変動に応じて液相作動媒体を作動媒体循環回路の外部に排出し捕集機構に与える液相作動媒体排出部を備えることで特徴づけられる。これにより、凝縮器内の凝縮水の液面位置が望ましい一定位置に保持されるように構成されたランキンサイクル装置において、洩れ対応作動媒体供給システムを適切に組み込むことが可能となる。 In the above configuration, the second Rankine cycle device (corresponding to claim 2) is preferably attached to a condenser that is controlled so that the liquid level position of the internal liquid phase working medium becomes a predetermined constant position. The liquid-phase working medium discharge unit for discharging the liquid-phase working medium to the outside of the working medium circulation circuit according to the fluctuation of the liquid level position and supplying the liquid-phase working medium to the collecting mechanism is characterized. As a result, in the Rankine cycle device configured so that the liquid level position of the condensed water in the condenser is maintained at a desired constant position, it is possible to appropriately incorporate the leakage-compatible working medium supply system.
第3のランキンサイクル装置(請求項3に対応)は、上記の構成において、好ましくは、液面位置が一定位置より下側にあるとき、大気開放タンクに蓄えた液相作動媒体を作動媒体循環回路に戻すことにより、液面位置を上記一定位置に保つことで特徴づけられる。 In the third Rankine cycle device (corresponding to claim 3), in the above configuration, preferably, when the liquid level position is below the fixed position, the liquid phase working medium stored in the atmosphere open tank is circulated as a working medium. It is characterized by keeping the liquid level at the above-mentioned fixed position by returning to the circuit.
第4のランキンサイクル装置(請求項4に対応)は、上記の構成において、好ましくは、液面位置が一定位置より上側にあるとき、凝縮器内の液相作動媒体を液相作動媒体排出部で排出して捕集機構を経由して開放タンクに供給することにより、液面位置を一定位置に保つことで特徴づけられる。 In the fourth Rankine cycle device (corresponding to claim 4), in the above configuration, preferably, when the liquid surface position is above a certain position, the liquid phase working medium in the condenser is discharged from the liquid phase working medium discharge unit. It is characterized by keeping the liquid level at a constant position by discharging the liquid and supplying it to the open tank via the collecting mechanism.
本発明によれば、ランキンサイクル装置における閉鎖系の作動媒体循環回路において、当該循環回路から漏出または排出された作動媒体の捕集・保存、および不足した作動媒体の循環回路への補充という作動媒体供給システムを自動的な装置構成で実現することができ、簡単かつコンパクトに構成することができる。 According to the present invention, in the closed system working medium circulation circuit in the Rankine cycle device, the working medium for collecting and storing the working medium leaked or discharged from the circulation circuit and replenishing the lacking working medium to the circulation circuit is provided. The supply system can be realized with an automatic apparatus configuration, and can be configured simply and compactly.
ランキンサイクル装置における作動媒体の循環回路の通常の密閉タンクに対して大気開放タンクを別途に設け、循環回路から出た作動媒体を液相状態にして当該大気開放タンクに集めて蓄え、さらに循環回路での不足分の作動媒体を、循環回路における膨張機出口から凝縮器を含む供給ポンプの吸入口までの大気圧同等の領域に戻し、もって閉じた循環回路に作動媒体の補充を行う。これによって、大気開放タンクと閉鎖された循環回路との間の差圧を少なくして、作動媒体を容易にかつスムーズに循環することができる。またこれにより、閉じた循環回路内の作動媒体の流量変動の調節(バッファ効果)や、漏出等した作動媒体の循環回路内への再循環等を容易かつスムーズに行うことができる。 An air release tank is separately provided for the normal closed tank of the working medium circulation circuit in the Rankine cycle device, and the working medium discharged from the circulation circuit is collected in a liquid phase and stored in the air release tank. The deficient working medium is returned to the region equivalent to the atmospheric pressure from the expander outlet to the suction port of the supply pump including the condenser in the circulation circuit, so that the closed circulation circuit is replenished with the working medium. As a result, the differential pressure between the open air tank and the closed circulation circuit is reduced, and the working medium can be circulated easily and smoothly. This also makes it possible to easily and smoothly adjust the flow rate variation (buffer effect) of the working medium in the closed circulation circuit and recirculate the leaked working medium into the circulation circuit.
さらに本発明によれば、ランキンサイクル装置の閉回路内の作動媒体の流量変動を調節することができる。すなわちバッファ効果が働き、流量変動を吸収することができる。凝縮器内の液相作動媒体の液面位置を基準にして作動媒体を循環させ、供給ポンプによる供給作動媒体量の確保による閉回路内の作動媒体の適正量化、および凝縮器の気相部と液相部の伝熱面積の変化の低減を図ることができる。 Furthermore, according to this invention, the flow volume fluctuation | variation of the working medium in the closed circuit of a Rankine cycle apparatus can be adjusted. That is, the buffer effect works and can absorb the flow rate fluctuation. The working medium is circulated with reference to the liquid level position of the liquid working medium in the condenser, the proper amount of working medium in the closed circuit is secured by securing the amount of the working working medium by the supply pump, and the gas phase portion of the condenser It is possible to reduce the change in the heat transfer area of the liquid phase part.
本発明によれば、凝縮器内の液相作動媒体の液面位置が一定位置に保持されるように制御されるランキンサイクル装置において、凝縮器の液面位置が一定位置より上昇した時には排出し、液面位置が一定位置より下降した時には補充して液面位置の変動を低減することにより、凝縮器の気相部と液相部の互いの伝熱面積の変化を低減することができ、その伝熱面積の変化を加味することなく冷却を行え、制御の精度向上を図り、供給ポンプのキャビテーションおよび蒸発器での再加熱の際の余分な熱エネルギの消費を低減することができる。 According to the present invention, in the Rankine cycle device that is controlled so that the liquid level position of the liquid phase working medium in the condenser is held at a fixed position, the liquid level working medium is discharged when the liquid level position of the condenser rises from the fixed position. By replenishing the liquid surface position when it drops below a certain position and reducing the fluctuation of the liquid surface position, it is possible to reduce the change in the heat transfer area between the gas phase part and the liquid phase part of the condenser, Cooling can be performed without taking into account the change in the heat transfer area, the control accuracy can be improved, and consumption of excess heat energy during cavitation of the supply pump and reheating in the evaporator can be reduced.
以下に、本発明の好適な実施形態(実施例)を添付図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Preferred embodiments (examples) of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
最初に、図1を参照して本発明に係るランキンサイクル装置の全体システムの構成を説明する。 First, the configuration of the entire system of the Rankine cycle device according to the present invention will be described with reference to FIG.
ランキンサイクル装置10は、蒸発器11と、膨張機12と、凝縮器13と、供給ポンプを備えた給水ポンプユニット14とから構成される。蒸発器11から膨張機12へは配管15により接続され、膨張機12から凝縮器13へは配管16により接続され、凝縮器13から給水ポンプユニット14へは、配管17により接続され、給水ポンプユニット14から蒸発器11へは配管18により接続されている。かかる配管構造等によって、ランキンサイクル装置10内で作動媒体が液相または気相の状態で循環する閉鎖系の循環回路(循環系)が形成される。ランキンサイクル装置10において作動媒体は水または水蒸気である。
The
ランキンサイクル装置10の循環回路は、水または水蒸気を循環させる外界に対して密閉された循環構造を有している。ランキンサイクル装置10の循環回路において、凝縮器13における破線P1で示された液面位置から給水ポンプユニット14を通って蒸発器11に水(液相)が移動する。図1で水の部分に係る配管17,18は太い実線で表現されている。また蒸発器11から膨張機12を通って凝縮器13の液面位置P1に到る部分は水蒸気(気相)が移動する。図1で水蒸気の部分に係る配管15,16は太い破線で表現されている。
The circulation circuit of the
ランキンサイクル装置10は、熱源から排出される熱を利用して水を水蒸気に相変化させ、水蒸気の膨張作用を利用して機械的な仕事を生じさせるものである。水を水蒸気に相変化させる機構が上記蒸発器11である。この実施形態に係るランキンサイクル装置10は、後述するごとく、自動車に搭載する車載用装置として構成している。そのため、蒸発器11は、排気ガスの有する熱を熱源として利用する。すなわち蒸発器11は、エンジン(内燃機関)の排気管45を通る排気ガスの熱を利用して、給水ポンプユニット14から供給される水を加熱し、さらに過熱することにより昇温昇圧させた高温高圧の水蒸気を発生させる。蒸発器11で発生した高温高圧の水蒸気は膨張機12に供給される。なお、排気管45に拘わらず、エンジンの排気バルブより下流の排気ポートや排気マニホルド(不図示)等の、より高温の排気ガスの熱を利用できることは言うまでもない。
The
膨張機12では、その出力軸12aが、モータ/ジェネレータ(M/G)19のロータ等(不図示)に接続され、発電機として駆動させている。膨張機12は、蒸発器11から供給される高温高圧の水蒸気を膨張させる構造を有し、この水蒸気の膨張作用に基づき出力軸12aを回転させる。膨張機12の出力軸12aが回転すると、モータ/ジェネレータ19のロータを回転させ、所要の機械的回転動作または発電動作を行わせる。これにより、排気ガスの熱を利用して機械的な仕事を行うことができる。また膨張機12の出力軸12aは、油圧ポンプ25にも接続され、これを駆動させる。
In the
上記のごとく膨張機12は、蒸発器11から配管15を通して供給される高温高圧の水蒸気の膨張作用によって機械的な仕事を出力し、モータ/ジェネレータ19や油圧ポンプ25等の各負荷を動作駆動させる。膨張機12から排出され、降温降圧された水蒸気は、温度および圧力が低下し、その状態で配管16を経由して凝縮器13に供給される。凝縮器13は、膨張機12からの水蒸気を冷却して液化する。凝縮器13での液化で生じた水(凝縮水)は配管17を経由して給水ポンプユニット14に戻される。給水ポンプユニット14の高圧給水ポンプ44は、凝縮器13で液化された凝縮水を加圧し、配管18を通して再び蒸発器11に供給する。
As described above, the
上記のような全体システム構成を有するランキンサイクル装置10は、他の関連構成要素として、次のような要素を備えている。
The
蒸発器11の近傍の配管18の部分には配管18内の圧力変動に応じて配管18内の圧力調整を行うためのリリーフ弁22が取り付けられる。膨張機12のケーシング21には、漏れた水蒸気を配管16に戻すためのブリーザ(セパレータ)23が設けられる。また膨張機12の下部にはオイル溜め24を備え、オイル溜め24からの水が混入したオイルを油圧ポンプ25によって、配管26を通して油コアレッサ27を通すようにしている。油コアレッサ27によって水とオイルは分離され、水は比重差から油タンク28の下部に収容される。油タンク28にはフロートセンサ29で動作する弁機構30が取り付けられている。また油コアレッサ27によって分離された油タンク28の上部に溜められたオイルは配管31を通って出力軸12aに形成された油路(不図示)を経由して膨張機12の各部へ給油される。油タンク28の下部に溜められた水は、弁機構30の動作で給水ポンプユニット14の開放タンク32に配管33を通して供給される。開放タンク32は大気に開放されたタンクであって、循環回路から洩れた(または漏出した)あるいは排出された作動媒体を液相状態で蓄えるタンクである。給水ポンプユニット14の開放タンク32からは逆止弁34を介して凝縮器13への配管35が設けられている。また、開放タンク32の水を配管35aを設けて配管16に供給するようにしてもよい。凝縮器13には、液面位置の近傍に、液面センサ38とエアベント39が設けられる。開放タンク32から凝縮器13への給水は、液面センサ38からの信号でオン・オフ動作するモータ36で駆動されるリターンポンプ37によって行われる。さらに凝縮器13にはエアベント39を通して開放タンク32に排水する配管40が設けられている。凝縮器13から排出される凝縮水を戻す配管17は、給水ポンプユニット14の密閉タンク41内の水コアレッサ42に接続されている。また密閉タンク41内の水は、モータ43によって動作する高圧給水ポンプ44によって配管18を通して蒸発器11に供給される。さらに凝縮器13にはその場所に応じて独立に冷却風を生じさせるための複数の冷却ファン46,47,48が設けられている。
A relief valve 22 for adjusting the pressure in the
上記の構成において、凝縮器13の内部の液面位置から下側部分に関連する装置部分、および給水ポンプユニット14によって作動媒体供給装置が構成される。ランキンサイクル装置10における密閉された作動媒体の循環系において、膨張機12のブリーザ23から漏れた作動媒体は出口P2を介して、配管16に戻され、循環系内に戻される。
In the above configuration, the working medium supply device is configured by the device portion related to the lower portion from the liquid level position inside the
図2は、上記の給水ポンプユニット14の具体的構造を示す構成図である。給水ポンプユニット14は、水コアレッサ42と密閉タンク41と駆動モータ43で動作する高圧給水ポンプ44と開放タンク32とリターンポンプ37と逆止弁34とから構成される。なお図2中、駆動モータ43の回転軸49が紙面に平行に図示してあるが、これは説明の便宜のためであって、実際は、回転軸49が紙面に垂直になるように配置されている。駆動モータ43の回転軸49にはカム機構49aが係合しており、カム軸となっている。
FIG. 2 is a configuration diagram showing a specific structure of the water
上記において、水コアレッサ42は油分分離を行う。密閉タンク41は高圧給水ポンプ44からのリーク水を直接回収する。高圧給水ポンプ44は、要求水量をポンプ回転数により制御して供給する。また開放タンク32は、循環回路の外部へ洩れたリーク水の一時貯蔵をするためのものである。リターンポンプ37は密閉タンク41へのリーク水の戻しまたは凝縮器13の過冷却器への水の戻しを行う。すなわち、リターンポンプ37は、逆止弁151を備えた配管152を通して開放タンク32から密閉タンク41へリーク水を戻し、必要に応じて逆止弁34を備えた配管35を通して凝縮器13の過冷却器に水を送る。配管152における逆止弁151は密閉タンク41からの逆流を防止し、配管35における逆止弁34は、凝縮機13の過冷却器からの逆流を防止する。凝縮器13の出口13aからの水は、配管17を通して駆動モータ43により駆動される高圧給水ポンプ44に入る。高圧給水ポンプ44は配管18を通して水を蒸発器11に送る。またリーク水が配管40により開放タンク32に戻される。
In the above, the
次に、上記ランキンサイクル装置10における洩れ対応作動媒体供給の構成について詳しく説明する。
Next, the configuration of supply of the working medium for leakage in the
ランキンサイクル装置10では、作動媒体を循環させる循環回路では、上記のごとくいくつかの箇所で洩れ出たまたは排出された液相作動媒体を捕集機構(油コアレッサ27、油タンク28、弁機構30、配管33、配管40等)で捕集し、その後いったん開放タンク32に集め、ここに蓄える。開放タンク32に蓄えられた水(液相作動媒体)は、好ましくは、膨張機12の水蒸気流出口53から凝縮器13を経由した高圧給水ポンプ44の入口に到るまでの間の回路部分(大気圧同等領域)のいずれかの箇所に自動的に戻される。開放タンク32に蓄えられた水の循環回路への戻しは、例えば、前述したごとく、上記のリターンポンプ37および配管35によって凝縮器13の過冷却器へ戻して行われる。さらに開放タンク32に蓄えられた水の循環回路への戻しは、リターンポンプ37を利用し、配管35を延設して成る配管35aを通して配管16に対して戻して行うようにしてもよい。こうしてランキンサイクル装置10の循環回路から洩れ出た作動媒体に関しては、自動的に適宜なタイミングで循環回路の大気圧同等領域の回路部分に戻され、循環回路内の作動媒体の総量は一定に保持される。
In the
上記のランキンサイクル装置10では、液相または気相の作動媒体が循環する循環回路に対して、作動媒体の流量変動を吸収する機能と、循環回路の外部へ排出したり洩れ出た作動媒体を自動的に循環回路内へ戻す機能とを兼ね備えている。特に、本実施形態では、凝縮器13は、凝縮器13内に存在する気相作動媒体と液相作動媒体の界面を成す液面位置に基づいて液相作動媒体をランキンサイクル装置10の閉回路外に排出して大気開放タンク32に蓄える液相作動媒体排出装置すなわちエアベント39と、開放タンク32に蓄えた液相作動媒体を、ランキンサイクル装置10の閉回路内に循環させる液相作動媒体供給装置すなわちリターンポンプ37を備えている。
In the
そして、上記液面位置が所定の一定位置より下側にあるとき、開放タンク32に蓄えた水をランキンサイクル装置10の閉回路内に戻し、上記液面位置が所定の一定位置より上側にあるとき、開放タンク32に対して凝縮器13内の水(凝縮水)を排出し、これにより液面位置を所定の一定位置に保持する。
And when the said liquid level position is below a predetermined fixed position, the water stored in the
さらに本実施形態による構成では、循環系内の作動媒体の蒸発器11への供給量の変動が大きく、高圧給水ポンプ44は秒単位の変動に追従する。従って凝縮器13の流入/流出流量に差異が生じ、循環系内の作動媒体の保持量が著しく変動するので、凝縮性能を安定化するためには、作動媒体を循環系内から積極的に排出したりまたは循環系内へ積極的に戻す必要がある。この場合に、この作動媒体の戻りの位置は、前述のように、「膨張機出口」−「凝縮器」−「高圧給水ポンプの入口(密閉タンク)」の間のいずれかの箇所に設定されることを特徴とするが、本実施形態においてはこれらの箇所はいずれも大気圧よりやや高圧であるため、洩れ出た作動媒体とともにいったん大気開放タンク32に集合貯蔵したのち、能動的に行うことが必要となる。
Furthermore, in the configuration according to the present embodiment, the amount of supply of the working medium in the circulation system to the
本実施形態の具体的な構成例を説明する。第1の構成例は、前述の通り、開放タンク32に集合貯蔵した液相作動媒体(水)を1個のリターンポンプ37と液面レベルセンサ38を用いて凝縮器13の液面位置が一定位置になるように補給することにより、能動的かつ自動的に液相作動媒体を系内へ戻すものである。この場合、例えば、凝縮器13内の圧力が常に弱正圧に制御されているとき、液相作動媒体を開放タンク32から前述の「膨張機出口」−「凝縮器」−「高圧給水ポンプの入口(密閉タンク)」の間のいずれかの箇所に自動的に戻すためには少なくとも1個のリターンポンプが必要となる。本実施形態では、循環系内に侵入した空気を凝縮器内圧力を弱正圧としてエアベント39を用いて循環系外へ排出する構成に適用したもので、エアベント39から開放タンク32へ排出された液相作動媒体をリターンポンプ37を用いて、これとは異なる配管35や配管35aを経て循環系内へ戻している。
A specific configuration example of this embodiment will be described. In the first configuration example, as described above, the liquid level working medium (water) collected and stored in the
上記構成によれば、或る定常状態で循環回路で作動媒体を循環させながら運転されていたランキンサイクル装置10において、熱負荷が急に減少し高圧給水ポンプ44の吐出量が減り、凝縮器13への流入量より流出量が小さくなると、凝縮器13内の凝縮水の液面位置は徐々に上昇する。しかし、凝縮器13内の液面位置がエアベント39に基づく設定位置以上になると凝縮水はエアベント39を通って水の状態で循環系の外へ出るので、この排出水を大気圧の開放タンク32へ案内し、いったん貯蔵し、これにより流量変動を吸収することができる。逆に熱負荷が急に増大し、凝縮器13への流入量より流出量が大きくなると、上記液面位置は徐々に下降する。しかし、液面センサ38の検出信号で作動するモータ36およびリターンポンプ37により、これを相殺するように開放タンク32から凝縮器13内の過冷却部等へ水を戻す。これにより循環回路内の流量変動を吸収することができる。リターンポンプ37の起動・停止の信号は液面レベルセンサ38により与えられる。また膨張機12からの洩れは、上記捕集機構を経由して開放タンク32に回収した後、リターンポンプ37を介して再び循環系内へ戻される。
According to the above configuration, in the
第2の構成例は、作動媒体を循環系内に戻すときのみ、凝縮器13の内圧を弱負圧にすることである。これにより、循環系外の開放タンク32に貯蔵した水を、「膨張機出口」−「凝縮器」−「高圧給水ポンプ(密閉タンク)」の間のいずれかの箇所に受動的に戻すことが可能となる。この構成例によれば、リターンポンプ37を省くことができる。
The second configuration example is to make the internal pressure of the
図2に示した具体的な洩れ対応作動媒体供給の構成、すなわち給水ポンプユニット14では、リターンポンプ37の戻り先は配管35,35aを介して過冷却器下部のヘッダタンクや配管16とする場合と、配管152を介して密閉タンク41へ直接に戻す例を示している。給水ポンプユニット14は、実際的な設計の観点から、次のような特徴点を持ち、または持たせることができる。
2, in the case of the
(1)小型化のために密閉タンク41の周りに開放タンク32を配置する。
(2)開放タンク32の液面位置は、凝縮器13の液面に対し楊程差を小さくなるように配置される。
(3)リターンポンプ37を小型化するためには、配管長さを最小にすることと、凝縮器13内の液面と開放タンク32内の液面との楊程差を最小にすることが望ましいので、上部を密閉タンク41、下部を開放タンク32とする配置も考えられる。
(4)密閉タンク41内には混入した油分を比重差分離する水コアレッサ42を内蔵する。
(5)密閉タンク41内には高圧給水ポンプ44も内蔵させ自吸性を最大限に発揮させるとともに、発生音を減衰させる。
(6)リターンポンプ37には、高圧給水ポンプ44のトラブルなどにより給水量が減少したとき、蒸発器11が異常に高温となるような緊急の場合、回路切替弁により高圧給水ポンプ44に代えてリターンポンプ37によりその吐出側をメイン回路側に切替え、蒸発器11を耐熱許容範囲内に抑制することにより保護すること、およびランキンサイクル装置の作動も一時継続させ、急停止等の発生を防ぎ、徐々に停止させるなどによりシステム全体を保全する等の機能を持たせている。
(1) An
(2) The liquid level position of the
(3) In order to reduce the size of the
(4) In the sealed
(5) A high-pressure
(6) The
次に、図3と図4を参照して、上記のランキンサイクル装置10を車両に搭載したときの構成例を説明する。
Next, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, the structural example when said Rankine-
図3に示される構成例では、201は車両前部のボディ形状の輪郭を示し、202は前輪を示している。ボディ201の内部はエンジンルーム203になっており、エンジンルーム203内にはエンジン50が搭載されている。エンジン50の背面側には排気マニホルド51が設けられ、排気マニホルド51には前述した排気管45が接続されている。上記の蒸発器11は、排気管45における排気マニホルド51に近い箇所に設けられる。蒸発器11には、高圧給水ポンプ44からの配管18が接続されている。配管18は、排気マニホルド51から排出される排気ガスの熱を熱源とする蒸発器11に水を供給する。蒸発器11は、排気ガスの熱で水を水蒸気に相変換し、膨張機12の水蒸気流入口52に接続される配管15によって水蒸気を膨張機12に供給する。膨張機12は、水蒸気の膨張エネルギを機械的エネルギに変換する。
In the configuration example shown in FIG. 3, 201 indicates the contour of the body shape of the front portion of the vehicle, and 202 indicates the front wheels. The inside of the
膨張機12の蒸気流出口53は配管16につながっている。この配管16と、高圧給水ポンプ44の入口側に通じる密閉タンク41との間には、水蒸気を冷却・凝縮させて液体にする凝縮器13が配置されている。凝縮器13は車両前部の前面に位置している。図3および図4では、その他に、開放タンク32、水コアレッサ42、リターンポンプ37、油コアレッサ27、過冷却器(凝縮器13の液相部)54、エアベント39、逆止弁34等のレイアウト状態が示されている。上記の高圧給水ポンプ44、蒸発器11、膨張機12、凝縮器13等は、前述の通り、熱エネルギを機械的エネルギに変換するランキンサイクル装置を構成している。
The
また図4で示されている他の構成例では、図4上、左から逆止弁34の後に回路切替弁210を設け、この回路切替弁210に、他端を配管18に接続される配管211の一端を接続させている。この構成により、高圧給水ポンプ44にトラブルが生じて給水量が減少したとき、蒸発器11が予想外に高温となるとき等のような場合、回路切替弁210により高圧給水ポンプ44側に替えてリターンポンプ37の吐出側をメイン回路側に切替え、蒸発器11を瞬時の異常過熱より保護すると共にランキンサイクル装置の作動も一時的に継続させ、急停止等の発生を防ぎ、徐々に停止させるなどによりシステム全体を保全する機能を持たせている。
4, the
次に、上記ランキンサイクル装置の動作を水および水蒸気の流れに沿って説明する。 Next, the operation of the Rankine cycle device will be described along the flow of water and water vapor.
凝縮器13で冷却・凝縮された水は、高圧給水ポンプ44で加圧され、配管18を通って蒸発器11に供給される。
The water cooled and condensed by the
液相作動媒体である水は、蒸発器11で熱エネルギを付加されて加熱され、さらに過熱されて昇温昇圧された高温高圧の水蒸気となり、膨張機12に供給される。膨張機12は、昇温昇圧された高温高圧の水蒸気の膨張作用によって熱エネルギを機械エネルギに変換する。これにより、膨張機12に付設されたモータ/ジェネレータ19は機械的エネルギを得る。
Water, which is a liquid phase working medium, is heated by adding heat energy in the
膨張器12から流出した水蒸気は降温降圧された水蒸気となり、凝縮器13に流入する。凝縮器13に流入した降温降圧された水蒸気は、ここで再び冷却・凝縮され、その後、凝縮水となって水コアレッサ42を介して高圧給水ポンプ44に供給される。以後、作動媒体である水は上記の循環を繰り返し、膨張機12に昇温昇圧された高温高圧の水蒸気を供給し続ける。
The water vapor that has flowed out of the
次に、図5〜図13を参照して、上記ランキンサイクル装置10における凝縮器13の液面位置の制御について説明する。
Next, control of the liquid surface position of the
図5は上記ランキンサイクル装置10のシステムを凝縮器13を中心にして描いたものであり、凝縮器13は車両前方側から見た正面図として描かれている。図5では、凝縮器13の内部における作動媒体の状態(水(凝縮水):W1、水蒸気:W2)が示されている。また図6は凝縮器13における冷却ファン46,47,48の配置関係を示す凝縮器の側面図であり、同時に内部の状態も示されている。
FIG. 5 shows the system of the
凝縮器13は、上端部に蒸気導入室13A、下端部に集水室13Bを備え、さらに中央に中間室56を備える。蒸気導入室13Aと中間室56の間、中間室56と集水室13Bとの間には、それぞれ、複数本の冷却パイプ55が設けられ、各室は連通された状態になっている。冷却パイプ55の周囲には冷却フィン55aが設けられている。
The
凝縮器13の蒸気導入室13Aは、配管16を介して膨張機12の蒸気流出口53と接続されている。凝縮器13の集水室13Bは、配管17等を介して給水ポンプユニット14に接続されている。前述の通り、膨張機12は配管15を介して蒸発器11に接続され、同様に給水ポンプユニット14は配管18を介して蒸発器11に接続されている。蒸発器11は、排気管45を介してエンジン(熱源)50の排気ガスからの熱50Aを受ける。給水ポンプユニット14内には、前述した通りの密閉タンク41、水コアレッサ42、高圧給水ポンプ44、駆動モータ43、開放タンク32、リターンポンプ37、モータ36等の各構成要素が示されている。
The
凝縮器13では、水蒸気W2が冷却されて凝縮し、水(凝縮水)W1となる。中間室56内で示された水平線65は水W1の液面を示している。中間室56内の液面65の位置に対応させて所要の位置に液面センサ38と中間排水口59が設けられている。液面センサ38から出力される液面位置に係る検出信号は制御装置60に送られる。制御装置60は、液面位置検出信号に基づきモータ制御指令信号を生成し、このモータ制御指令信号をリターンポンプ37のモータ36に与える。他方、中間排水口59には水蒸気用のエアベント39が接続される。エアベント39の出口側は、チャッキ弁58を備えた配管40を介して開放タンク32に通じている。配管40には並行に排気ポンプ57が付設されている。
In the
また凝縮器13では、図6に示されるように、その背面側に、水蒸気W2の存在領域部分に対応して冷却ファン46が配置され、水W1の存在領域部分に対応して冷却ファン47,48が配置されている。冷却ファン46の冷却動作は、例えば水蒸気W2が供給される配管16に取り付けられた圧力センサ61の水蒸気圧力検出信号に基づき圧力制御装置62によって制御される。冷却ファン46は、蒸気圧力調整に用いる凝縮用冷却ファンである。また冷却ファン47,48の冷却動作は、例えば水W1が流れる配管17に取り付けられた温度センサ63の水温検出信号に基づき温度制御装置64によって制御される。冷却ファン47,48は凝縮水を冷却するための水冷却用冷却ファンである。図6で、A1は冷却ファン46の回転動作に基づく前方からの冷却用空気の流れを示し、A2は冷却ファン47,48の回転動作に基づく前方からの冷却用空気の流れを示している。上記のように、凝縮器13では、水蒸気W2に対応する機器部分である気相部(水蒸気凝縮部)70の冷却と、水W1に対応する機器部分である液相部(凝縮水冷却部)71の冷却は、それぞれ、独立に行われる。
Further, in the
上記の構成において、膨張機12の蒸気流出口53から出る水蒸気は大気圧相当である。上側の冷却パイプ(凝縮管)55の各々の出口集合部である中間室56では、液面65をこの空間内に位置するよう調整するために、エアベント39から水を排出する。また高圧給水ポンプ44は、ランキンサイクル装置10のメインの循環回路の給水ポンプとして、所要量の水を蒸発器11に送る。
In said structure, the water vapor | steam which comes out from the
さらに上記の構成において、リザーブ用開放タンク32は、大気開放型であり、システム内の密閉された循環回路に対しリザーブ用として予備的な水を保有しておく。リターンポンプ37は、液面センサ38の信号を受けて凝縮器13内に給水する。排気ポンプ57は、凝縮器13を負圧で運転するときはエアベント39の下流を吸引する。
Further, in the above configuration, the reserve
なお、上記の排気ポンプ57の動作については、図6に示した圧力センサ61と圧力制御装置62によって負圧時を感知させることにより動作させたり、あるいは、液面センサ38の検出により液面65の位置が所定範囲の上限を超えるときに感知させ、制御装置60によって動作させる、ように構成することができる。
The operation of the
また、排気チャッキ弁58は、凝縮器13内が負圧になる場合に大気の逆流を防ぐ。逆止弁34は、リターンポンプ37の逆流を防止する。水蒸気用エアベント39は、水、空気は通すが水蒸気は通さない。中間排水口59は不凝縮性ガスの排出、水のオーバーフローにより凝縮水の液面65の位置の変化に制限を与え、所定の範囲で液面位置が変動するようにするためのものである。液面センサ38は、液面65に係る位置信号を制御装置60に出力する。制御装置60は、液面65の位置が中間室56内に存するようにリターンポンプ37の動作を制御する。液面65の位置は、エアベント39と液面センサ38の間の範囲に含まれる高さ位置になるように制御される。液面センサ38には、例えば、静電容量式レベルセンサやフロート式レベルスイッチが用いられる。
Further, the
圧力センサ61は、凝縮器13の内部の圧力を検出するもので、基本的に水蒸気W2の圧力を検出する。圧力制御装置62は、凝縮器13の内部圧力が設定値になるように冷却ファン46を動作させる。温度センサ63は、凝縮水W1の温度を検出する。温度制御装置64は、凝縮水温度が設定値になるように冷却ファン47,48を動作させる。
The pressure sensor 61 detects the pressure inside the
図7〜図9を参照してエアベント39の構造・作用を詳述する。図7と図8はエアベント39の閉じているときの状態を示し、図7は縦断面図、図8は図7でのA−A線断面図である。また図9はエアベントの開いているときの状態を示す縦断面図である。図7等において、エアベント39の左側が凝縮器側であり、右側が大気側である。エアベント39は、内部が飽和水蒸気で満たされているときには密閉され(図7)、水や空気などの不凝縮性ガスが存在するときには自動的に開放され、水や不凝縮性ガスを排出して再び密閉する(図9)。
The structure and operation of the
エアベント39は、容器中央の位置に配置された弁66と、この弁66を支持する弁サポート67と、弁口(パッキン)68を備える。弁サポート67で支持された弁66は、弁口68を塞ぐことができる位置関係にて配置されている。弁66は2枚のダイヤフラム66aを密閉空間を形成するように組み合わせて形成され、その内部の密閉空間にサーモリキッド(感温液)69を収容している。サーモリキッド69は、水と同じように、或る圧力下、或る温度以下では液体であり、或る温度以上になると気体となって膨張するという特性を有している。図10にサーモリキッドの飽和曲線C1と水の飽和曲線C2を示す。サーモリキッド69が気体になる温度は、水が蒸気になる温度よりもΔT(約10℃)だけ低い温度であるため、エアベント39の内部が水蒸気W2の雰囲気の時にはサーモリキッド69は気化して気体となっており、膨張したサーモリキッド69の入った密閉空間が両側のダイヤフラム66aを外方へ押し、ダイヤフラム66aで形成される弁66と弁口68との間にあった隙間を閉じる(図7)。逆に内部が低温である場合(周囲環境が空気のごとき不凝縮性ガスA3等である状態)はサーモリキッド69は液体の状態であり、ダイヤフラム66aは内方へ収縮し、弁66と弁口68の間の隙間から空気等が排出されることになる(図9)。
The
以上の構成において、制御装置60は、冷却ファン46で冷却して水蒸気W2を水(凝縮水)W1に戻す凝縮器13における液面65の位置を所定範囲内で変化させるように制御するための制御装置である。制御装置60は、凝縮器13における気相部70と液相部71との境界である液面65の位置を検出する液面センサ38からの検出信号に基づき、上記の所定範囲の下限よりも低下するときには凝縮器13内に水を供給するリターンポンプ37のモータ36の動作を制御し、不足分の水を開放タンク32から配管35を介して補充する。また液相部71の液面65の位置が上記の所定範囲の上限を超えるときには、中間排水口59とエアベント39等により開放タンク32に超過した水を排出する。こうして、液面センサ38に基づく下限およびエアベント39に基づく上限で決まる範囲によって液面65の位置の望ましい所定範囲が設定される。
In the above configuration, the
さらに詳しく説明する。凝縮器13の中間室56に、水(凝縮水)W1を排水するのための中間排水口59を設置して液面65の上限位置を規制する。中間排水口59以上に液面65が上昇したときは中間排水口59からリザーブ用開放タンク32に水をオーバーフローさせることにより液面65の位置を下げる。液面65が中間排水口59より下側に位置するときには、中間排水口59から水蒸気が排出されないように、中間排水口59にはエアベント39が設置されている。図7〜図9に示したように、水蒸気の排出を阻止するためのエアベント39は、内部に水蒸気が存在するときには自動的に閉弁し、内部に空気(不凝縮ガス)や水が存在するときには自動的に開弁する作動を行う。また中間排水口59の下側の位置には液面センサ38を配置して、液面65の位置が液面センサ38よりも低下したときには開放タンク32からリターンポンプ37により給水して液面65の位置を液面センサ38の位置まで上昇させる。上記の作用に基づき液面65の位置は常に中間排水口59と液面センサ38の間の範囲内に維持される。中間排水口59と液面センサ38の間隔が広くなると、水蒸気W2側と水(凝縮水)W1側の伝熱面積の誤差が大きくなる。逆に当該間隔が小さくなると、リターンポンプ37とエアベント39の動作が頻繁に起きることになる。従って、中間排水口59と液面センサ38の間隔は、これらの2つの影響が共に小さくなる範囲に設定されればい。該伝熱面積を一定化することを主眼とすれば、当該間隔は限りなく小さく、ゼロとすることが望ましい。
This will be described in more detail. An
図11に液面65の位置設定の詳細を示す。図11で、(A)は液面センサ38とエアベント39と液面65の位置関係を示し、(B)は液面位置とエアベントの動作とリターンポンプの動作との関係を表で示している。
FIG. 11 shows details of the position setting of the
図11の(A)では、上限液面位置としてHA、下限液面位置としてHB、液面位置65としてHLがそれぞれ設定されている。液面65の位置HLが上限液面位置HAより高いときには、エアベント39は開状態であり、リターンポンプ37はオフ(OFF)である。液面65の位置HLが、上限液面位置HAと下限液面位置HBの間にあるときは、エアベント39は閉状態であり、リターンポンプ37はオフである。液面65の位置HLが下限液面位置HBより低いときには、エアベント39は閉状態であり、リターンポンプ37はオン(ON)である。以上により、液面65の変動は上限液面位置HAと下限液面位置HBの範囲内に抑えられる。
In FIG. 11A, H A is set as the upper limit liquid level position, H B is set as the lower limit liquid level position, and H L is set as the
またランキンサイクル装置10の起動・停止時や過渡的変化時に水蒸気の流入量(質量流量)や凝縮器13から高圧給水ポンプ44への排水量(質量流量)が変化する場合にも、凝縮器13の内部における液面65の位置の変動を抑制し、安定して凝縮器13の運転を行うことができる。
In addition, when the
さらに、図5で示したように、ランキンサイクル装置10の密閉された主回路とは別に、大気開放のリザーブ用開放タンク32が設けられている。開放タンク32は、凝縮器13と、その中間排水口59に接続されたエアベント39とチャッキ弁58を介して接続されている。また開放タンク32の下部は、リターンポンプ37と配管35と逆止弁34を介して凝縮器13の出口部13aに接続されている。液面65が中間排水口59より高い場合には水は開放タンク32にオーバーフローされ、液面65が液面センサ38より低い場合にはリターンポンプ37が作動して水の補充が行われる。リターンポンプ37が作動すると、凝縮器13内への給水で液面65が上昇して液面センサ38の位置でリターンポンプ37は停止する。また中間排水口59と液面センサ38を含む領域に中間室56を設けて複数の冷却パイプ(凝縮管)55が集合するような構造としたため、中間排水口59からの排水時やリターンポンプ37からの給水時に液面65の変化の応答性を良好にし、かつ安定させることができる。なお蒸気導入室13A側と集水室13B側の中間室56部分を各冷却パイプ(凝縮管)55が連通されていればよく、中間室56を設けることは必須のことではない。
Further, as shown in FIG. 5, apart from the sealed main circuit of the
次に、図12のフローチャートを参照して、制御装置60において実施される液面位置制御の流れを説明する。
Next, the flow of the liquid surface position control performed in the
最初に、液面センサ38によって液面65の位置HLの読込みを行う(ステップS10)。液面位置HLが上限液面位置HAよりも高いか否かが判断される(ステップS11)。もし液面位置HLが上限液面位置HAより高いときには、エアベント39が開かれて排水され、液面65が下げられる(ステップS12)。その後、リターンに移行してステップS10に戻る。もし液面位置HLが上限液面位置HA以下のときには、エアベント39を閉じる(ステップS13)。次のステップでは、液面位置HLが下限液面位置HBより低いか否かが判断される(ステップS14)。もし液面位置HLが下限液面位置HBより低いときには、リターンポンプ37がオンになり、水が補給される(ステップS15)。もし液面位置HLが下限液面位置HB以上のときには、リターンポンプ37がオフとなり、水の補給は行われない(ステップS16)。その後、リターンに移行してステップS10に戻る。
First, the position HL of the
図13は、本実施形態に係るランキンサイクル装置10を搭載した車両の車速変化とエンジン出力変化と蒸発器への給水流量と凝縮器の液面位置の変化を示すグラフである。図13の(A)は車速の変化、(B)はエンジン出力の変化、(C)は蒸発器給水流量の変化、(D)は図14で示される従来の凝縮器での液面位置の変化をそれぞれ示す。図13で横軸は時間である。ランキンサイクル装置が搭載された車両が図13(A)で示すような車速変化をするとき、図13(B)で示すようにエンジン出力が変化し、それに関連して図13(C)に示すように蒸発器111への給水流量の変化が生じ、さらに図13(D)に示すように凝縮器100の液面位置112が変化する。換言すれば、横方向の時間軸において、車両が時刻t1,t3,t5で発進し、時刻t2,t4,t6で停止したとき、その車両の発進・停止に伴ってエンジン出力は変化し、蒸発器111への給水流量も変化し、凝縮器100の液面位置112が変動する。
FIG. 13 is a graph showing changes in vehicle speed, engine output change, water supply flow rate to the evaporator, and change in the liquid level position of the condenser of a vehicle equipped with the
上記のように、従来の車載用ランキンサイクルの凝縮器100では、図13(A)に示したように車両の発進・停止時や過渡的車速変化時に、図13(B)に示すごとくエンジン出力が変化するので、蒸発器111への給水流量が変化し、凝縮器100の冷却パイプ103における液面位置112が変動することになる。つまり、凝縮器100において、水蒸気の流入量が凝縮水の排水量より多い場合には液面位置112は上昇し、水蒸気の流入量が凝縮水の排水量より少ない場合には液面位置112は低下することになる。図13の(E)に示した液面位置の変化に係る図が本発明の凝縮器に対する図である。車両が図13(A)で示すような車速変化をするとき、ランキンサイクル装置10では、前述の通り、液面位置の制御が行われるので、液面位置は、車両の発進時と停止時において上限位置HAと下限位置HBの間での変動のみであり、大きな変動は起こらない。
As described above, in the on-vehicle Rankine cycle condenser 100, as shown in FIG. 13A, when the vehicle starts / stops or when the vehicle speed changes transiently, the engine output as shown in FIG. 13B. Therefore, the feed water flow rate to the
以上のように、凝縮器13内の凝縮水W1の液面65の位置変動を所定範囲に抑制することにより、凝縮器13における水蒸気に対応する気相部分と凝縮水に対応する液相部分の互いの伝熱面積の変化を低減して、その伝熱面積の変化を考慮することなく冷却を行え、かつ制御の精度向上を図り、ポンプ装置内のキャビテーションおよび、蒸発器11での再加熱の際の余分な熱エネルギの消費を低減する凝縮器13の液面位置制御装置を得ることができる。
As described above, by suppressing the position fluctuation of the
また伝熱面積の変化幅を許容範囲内に保つことができ、かつ液相作動媒体の排出と補充供給の切換え動作にヒステリシスを持たせることができ、それによって切換え動作の頻度を少なくし、凝縮器の作動安定化と共に、排出および補充供給に係わる装置の耐久性が向上する。さらに、液相作動媒体(水)を排出して設定液面を適切に制御しつつ、気相作動媒体(水蒸気)の排出は阻止するので、凝縮器の作動安定化を図ることができる。また、液相作動媒体を蓄えたリザーブ用開放タンクからリターンポンプを介して直接に設定液面まで液相作動媒体の補充供給することができ、これにより液面位置の調整をポンプの高応答・高精度の供給量制御により、液面位置を早期に正確に安定させることができる。さらに、循環回路内で作動媒体の総質量流量を維持しつつ液面位置制御が可能となり、作動媒体の外部への排出、および外部からの補充という特別な装置を付加する必要がない循環回路として構成できる。さらに、凝縮器の各冷却パイプ毎の液面位置のばらつきを少なくでき、液相作動媒体の排水および補充供給時における液面を早期に正確に安定させることができ、凝縮器の作動安定化を行うことができる。 In addition, the change width of the heat transfer area can be maintained within an allowable range, and the switching operation of discharging the liquid phase working medium and replenishing supply can be provided with hysteresis, thereby reducing the frequency of the switching operation and condensing. As the operation of the vessel is stabilized, the durability of the device for discharging and replenishing is improved. Furthermore, since the discharge of the gas phase working medium (water vapor) is prevented while the liquid phase working medium (water) is discharged and the set liquid level is appropriately controlled, the operation of the condenser can be stabilized. In addition, the liquid phase working medium can be replenished and supplied to the set liquid level directly from the open reservoir for storing the liquid phase working medium via the return pump. The liquid level position can be stabilized accurately at an early stage by highly accurate supply amount control. Furthermore, the liquid surface position can be controlled while maintaining the total mass flow rate of the working medium in the circulation circuit, and there is no need to add a special device for discharging the working medium to the outside and replenishing from the outside. Can be configured. Furthermore, it is possible to reduce the variation of the liquid level position for each cooling pipe of the condenser, and to stabilize the liquid level quickly and accurately at the time of draining and replenishing the liquid phase working medium, thereby stabilizing the operation of the condenser. It can be carried out.
本発明は、車載用ランキンサイクル装置で、循環系から洩れ出た作動媒体を捕集して大気開放タンクに蓄えかつ循環系に戻して作動媒体の総量を保持し、さらに凝縮器内の液面位置を一定位置に保持するようにした構成において最適に液相作動媒体を循環系に戻す装置として利用される。 The present invention is an on-vehicle Rankine cycle device that collects the working medium leaking from the circulation system, stores it in the atmosphere open tank, and returns it to the circulation system to hold the total amount of working medium. Further, the liquid level in the condenser In a configuration in which the position is held at a fixed position, it is used as a device that optimally returns the liquid phase working medium to the circulation system.
10 ランキンサイクル装置
11 蒸発器
12 膨張機
13 凝縮器
14 給水ポンプユニット
15 配管
16 配管
17 配管
18 配管
26 配管
32 開放タンク
37 リターンポンプ
38 液面センサ
39 エアベント
41 密閉タンク
42 水コアレッサ
43 モータ
44 高圧給水ポンプ
45 排気管
46,47,48 冷却ファン
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記作動媒体循環回路から外部に出た作動媒体を捕集する捕集手段と、
前記捕集手段から供給される前記作動媒体を蓄える開放タンクと、
前記開放タンクに蓄えた前記液相作動媒体を、前記作動媒体循環回路における前記膨張機の出口から前記凝縮器を経由して前記供給ポンプの吸入口に到るまでの回路部分のいずれかの箇所に戻す液相作動媒体戻し手段と、
を備えることを特徴とするランキンサイクル装置。 An evaporator that heats the pressurized liquid-phase working medium to convert it into a gas-phase working medium, an expander that converts the thermal energy of the gas-phase working medium into mechanical energy, and an exhaust gas discharged from the outlet of the expander A condenser that cools the gas-phase working medium back to the liquid-phase working medium, a sealed tank that stores the liquid-phase working medium discharged from the condenser, and pressurizes the liquid-phase working medium in the sealed tank again to evaporate the liquid-phase working medium. In a Rankine cycle device having a closed working medium circulation circuit consisting of a supply pump for feeding to the vessel,
A collecting means for collecting the working medium that has come out of the working medium circulation circuit;
An open tank for storing the working medium supplied from the collecting means;
The liquid phase working medium stored in the open tank is located anywhere in the circuit portion from the outlet of the expander in the working medium circulation circuit to the inlet of the supply pump via the condenser. Liquid phase working medium return means for returning to
A Rankine cycle device comprising:
When the liquid level is above the fixed position, the liquid phase working medium in the condenser is discharged by the liquid phase working medium discharge means and supplied to the open tank via the collecting means. Thus, the Rankine cycle apparatus according to any one of claims 2 to 3, wherein the liquid level position is maintained at the fixed position.
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